CN104179877B - 纯剪切式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯剪切模式磁流变阻尼器，其特征是包括外缸体、与外缸体同轴设置的内缸体，以及固定有剪切圆盘的滚珠丝杠副，内缸体的内壁设置有与剪切圆盘一一对应的电磁线圈以及剪切圆环组，磁流变液填充于内缸体腔体，在固定于内缸体的内壁上的相邻剪切圆环之间设置至少一个电磁线圈，其与剪切圆盘、剪切圆环和内缸体形成闭合磁通回路。本发明不仅可以在不增加现有磁流变阻尼器外部尺寸和能耗的前提下，降低磁流变阻尼器的零场粘滞阻尼力，扩大其可控阻尼比范围，使其具有应用于高速冲击/振动控制系统的潜力，而且进一步提高了磁流变液在磁流变阻尼器中的使用效率，有效降低了磁流变阻尼器的成本。

Description

纯剪切式磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及一种磁流变半主动可控执行器件，尤其涉及一种适用于自行车、摩托车、汽车、卡车、轮船、火车、飞机、桥梁、建筑、运动设施以及其它振动/冲击控制系统的纯剪切式磁流变阻尼器。

背景技术

在过去的二十多年里，磁流变阻尼器由于其优秀的半主动执行器件性能，包括响应快、阻尼力无级可控、结构简单、耐久性好和低功耗，并且在被动减振器的外形尺寸和安装条件下完全可以实现替代，被研究并用于构成各种半主动振动/冲击控制系统，包括建筑结构的抗震缓冲系统，轿车、火车悬架系统，汽车、快船、飞行器的座椅悬架系统，直升飞机水平旋翼系统，火炮后座缓冲系统以及其它振动/冲击控制系统。

现有的磁流变阻尼器主要使用的是磁流变液的工作模式为挤压模式或者挤压模式与剪切模式的混合模式，如美国专利("MagnetorheologicalFluidDampers",U.S.Patent5,277,282)所公开的磁流变液阻尼器是使用了流动模式。这种磁流变液工作模式的磁流变阻尼器可以产生很大的阻尼力，但是零场粘滞阻尼力的速度二次方效应太过明显，随着激励速度的增加磁流变阻尼器的零场粘滞阻尼力迅速增加，即可控阻尼比急剧下降，导致半主动执行器件的可控性能逐渐消失，最终也使得这种结构的磁流变阻尼器不适用于速度较快的振动/冲击控制系统中。中国发明专利“适用于高速冲击/低速振动控制系统的磁流变阻尼器”、公开号CN103527702A中公开了另外一种纯挤压模式的磁流变阻尼器，很好地规避了上述美国专利的活塞-电磁线圈的活塞头设置，将活塞与电磁线圈解耦设置，有效降低了磁流变阻尼器的零场粘滞阻尼力，提高了磁流变阻尼器在高速激励情况下的可控阻尼性能。中国发明专利“基于旋转型磁流变器件的纵向直线振动抑制方法与装置”(公开号CN101576141)中公开了一种剪切模式的磁流变阻尼器及其振动控制方法与装置，其整体结构实现了弹簧-阻尼控制系统，但是由于剪切模式下的磁流变阻尼器的阻尼力比较有限，单组旋转剪切力有可能太小，纵向最大可控阻尼力可能受限。此外，由于直线运动-旋转运动的转换运动机构，即丝杠副外置将在一定程度上使器件占用空间偏大。

基于以上，在不增加磁流变阻尼器外部尺寸和能耗的条件下，一是实现磁流变阻尼器的活塞杆与可控阻尼力产生的关键结构解耦设计，二是最大化磁流变阻尼器在高速激励情况下的可控阻尼比，三是提高线性磁流变阻尼器中磁流变液利用率，进一步降低磁流变阻尼器及其半主动控制系统的成本，对磁流变阻尼器的结构进行改进，提出更为优越的设计原理和磁流变阻尼器的结构来满足以上需求是当前应当解决的问题。

发明内容

本发明为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种纯剪切式磁流变阻尼器，针对现有技术中磁流变阻尼器中磁流变液利用率低，可控阻尼力和可控阻尼比范围有限等不足，在不改变现有磁流变阻尼器的外部尺寸和励磁能耗的前提下，实现一种磁流变液高利用率、优秀可控阻尼力性能的纯剪切式磁流变阻尼器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构特点是：所述阻尼器包括外缸体、内缸体以及固定有剪切圆盘的滚珠丝杠螺母；所述外缸体与内缸体为同轴设置；

设置滚珠丝杠副，作为活塞杆的丝杠轴，一端在所述外缸体的上端盖圆心位置处固定设置，所述丝杆轴可以压缩进入或复原退出内缸体中，在所述内缸体的内侧壁上固定设置有与所述剪切圆盘一一对应的电磁线圈和剪切圆环；在所述内缸体中，由内缸体的内侧壁与滚珠丝杠螺母共同构成封闭腔，所述封闭腔中充满有磁流变液，与所述丝杆轴螺纹配合的滚珠丝杠螺母其在两端的延长段与内缸体的端盖之间设置轴封以实现磁流变液在所述封闭腔中的密封，所述滚珠丝杠螺母在两端的延长段是利用滚动轴承在内缸体端盖上进行支撑；在相邻的两只剪切圆环之间设置至少一个电磁线圈，由所述相邻的两只剪切圆环、位于相邻的两只剪切圆环之间的剪切圆盘，以及对应位置上内缸体的侧壁共同形成电磁线圈的闭合磁通回路。

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构特点也在于：所述电磁线圈可以由环形轴向磁场永磁体代替，或者将电磁线圈设置于环形轴向磁场永磁体内环表面或者外环表面。

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构特点也在于：所述电磁线圈或环形轴向磁场永磁体至少为一组，其与所述剪切圆盘、剪切圆环以及内缸体侧壁形成至少一组闭环磁通回路，其最大组数取决于内外缸体长度。

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构特点也在于：所述剪切圆盘、剪切圆环以及内缸体是以高导磁性材料为材质。

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构特点也在于：所述电磁线圈的引线通过设置于内缸体上的过孔引出，并由环氧树脂材料或采用橡胶挤压的方式进行密封和保护。

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构特点也在于：所述丝杠轴的一端通过上下螺母锁定的方式连接固定于外缸体的上端盖圆心位置，所述外缸体在另一端利用滑动卡环与内缸体接触，并能沿所述内缸体的外侧壁滑动，以所述外缸体作为丝杠轴的运动导向。

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构特点也在于：间隔设置的各剪切圆盘与间隔设置的各剪切圆环在沿内缸体的轴向位置上一一交错，并且所述剪切圆盘与电磁电圈在轴向位置上一一对应。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.优化可控阻尼力性能

本发明利用滚珠丝杠副结构将线性磁流变阻尼器活塞杆的线性运动转换为旋转运动，有效利用了磁流变液工作模式中的剪切模式，设置剪切圆盘、剪切圆环与相应的电磁线圈实现磁流变阻尼器的可控阻尼力无级可控性能。由于本发明只使用了磁流变液的剪切模式，而剪切模式下的阻尼力主要由场控力贡献，因此其可控阻尼比范围将会有效提高，本发明对于高速冲击/低速振动控制系统具有更为有效的控制范围。

2.增加活塞杆运动行程

本发明将活塞杆与产生可控阻尼力的有效结构有效分离，在磁流变阻尼器内部不再需要额外设置补偿气囊来补偿活塞杆进出磁流变阻尼器腔体内部压差，有效增加了活塞杆的运动行程。

3.结构可靠

较之于现有的线性磁流变阻尼器的活塞-电磁线圈结构，本发明中电磁线圈设置于内缸体内壁两两剪切圆环之间，这样可以更容易地保护电磁线圈，不会由于活塞的压缩、复原运动导致电磁线圈或者引线的疲劳损坏。

4.失效-安全性能集成与抗磁流变液沉淀

本发明将环形永磁体设置于电磁线圈的内表面或者外表面或者替代电磁线圈实现磁流变阻尼器的失效-安全性能，较之于传统的磁流变阻尼器，输入正向电流或者负向电流至电磁线圈上可实现磁流变阻尼器的阻尼力双向可控，结构更加简单可靠，由于受到磁场的吸附力作用，磁流变液不再由于受到重力的影响导致大范围沉淀以致失效，这种磁流变阻尼器结构能够有效地解决磁流变阻尼器中磁流变液的沉淀问题。

5.降低成本

本发明将磁流变液密封于内缸体内，所使用的磁流变液材料更少，但是却可以提供一样或者更好的可控阻尼力学性能/失效-安全性能和抗磁流变液沉淀性能，因此其磁流变液的使用效率更高，该磁流变阻尼器的结构实现使得磁流变阻尼器及其系统成本更低。

附图说明

图1A为本发明结构示意图；

图1B为本发明中滚珠丝杠副结构局部放大图；

图2为本发明中所形成的闭环磁通回路示意图；

图3为本发明的可控阻尼力范围与传统磁流变阻尼器可控阻尼力范围示意图。

图中标号：1外缸体，2内缸体，3剪切圆环，3A上剪切圆环，3B下剪切圆环，4剪切圆盘，5电磁线圈，6闭环磁通回路，8磁流变液，9滚珠丝杠螺母，10丝杠轴，11滑动卡环，12支架，13A第一滚动轴承，13B第二滚动轴承，13C第三滚动轴承、13D第四滚动轴承，14过孔，15A内缸体上端盖，15B内缸体下端盖，16A第一“O”型圈，16B第二“O”型圈，17A上螺母，17B下螺母，20永磁体。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中纯剪切式磁流变阻尼器包括外缸体1、内缸体2以及固定有剪切圆盘4的滚珠丝杠螺母9，外缸体1与内缸体2为同轴设置；

如图1和图2和图3所示，设置滚珠丝杠副，作为活塞杆的丝杠轴10，一端在外缸体1的上端盖圆心位置处固定设置，丝杆轴10可以压缩进入或复原退出内缸体2中，在内缸体2的内侧壁上固定设置有与剪切圆盘4一一对应的电磁线圈5和剪切圆环3；在内缸体2中，由内缸体2的内侧壁与滚珠丝杠螺母10共同构成封闭腔，封闭腔中充满有磁流变液8，与丝杆轴10螺纹配合的滚珠丝杠螺母9其在两端的延长段与内缸体2的端盖之间设置轴封以实现磁流变液8在封闭腔中的密封，滚珠丝杠螺母9在两端的延长段是利用滚动轴承在内缸体2端盖上进行支撑；在相邻的两只剪切圆环3之间设置至少一个电磁线圈5，由相邻的两只剪切圆环3、位于相邻的两只剪切圆环3之间的剪切圆盘4，以及对应位置上内缸体2的侧壁共同形成电磁线圈5的闭合磁通回路6。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

电磁线圈5可以由环形轴向磁场永磁体20代替，或者将电磁线圈5设置于环形轴向磁场永磁体20内环表面或者外环表面。

电磁线圈5或环形轴向磁场永磁体20至少为一组，其与剪切圆盘4、剪切圆环3以及内缸体2侧壁形成至少一组闭环磁通回路6，其最大组数取决于内外缸体长度。

剪切圆盘4、剪切圆环3以及内缸体2优选为高导磁性材料为材质，并不局限于高导磁材料，丝杠轴10和滚珠丝杠副螺母9优选不锈钢或者铝等非导磁材料。

电磁线圈4的引线通过设置于内缸体2上的过孔14引出，并由环氧树脂材料或采用橡胶挤压的方式进行密封和保护。

图1所示，丝杠轴10的一端由上螺母17A和下螺母17B进行锁定的方式连接固定于外缸体1的上端盖圆心位置，外缸体1在另一端利用滑动卡环11与内缸体2接触，并能沿内缸体2的外侧壁滑动，以外缸体1作为丝杠轴10的运动导向。

间隔设置的各剪切圆盘4与间隔设置的各剪切圆环3在沿内缸体2的轴向位置上一一交错，并且剪切圆盘4电磁电圈5在轴向位置上一一对应。

具体实施中，如图1所示，本实施例中滚轴丝杠副在内缸体上端盖15A位置处是以第四滚动轴承13D和第三滚动轴承13C连接支撑，并用第二“O”型圈16B或者其它方式进行转动轴密封，在内缸体下端盖15B位置处利用支架12、第一滚动轴承13A和第二滚动轴承13B连接支撑，并用第一“O”型圈16A或者其它方式进行转动轴密封。

磁流变液8完全封闭于由内缸体2和滚珠丝杠副螺母9构成的腔体中，图2所示，由相邻的上剪切圆环3A和下剪切圆环3B、位于上剪切圆环3A和下剪切圆环3B之间的电磁线圈5、以及与电磁线圈5处在相应的轴向位置上的剪切圆盘4共同构成了闭环磁通回路6，由电磁线圈5产生从上剪切圆环3A开始，穿过上剪切圆环3和剪切圆盘4之间的磁流变液8到达剪切圆盘4，穿过剪切圆盘4和下剪切圆环3B之间的磁流变液到达下剪切圆环3B，沿着下剪切圆环3B闭合于内缸体2，当电磁线圈5上输入电流、丝杠轴10压缩进入或者复原退出内缸体2时，滚珠丝杠副螺母9带动剪切圆盘4作旋转运动，剪切圆盘4与上剪切圆环3A以及下剪切圆环3B作相对运动并剪切磁流变液8，从而实现阻尼力通过输入电流连续可控的纯剪切式磁流变阻尼器。

具体实施中，介于剪切圆盘4和上剪切圆环组3A，以及剪切圆盘4与下剪切圆环3B之间的磁流变液流8的厚度设置在0.5-3mm，取决于特定的应用环境对磁流变阻尼器的力学性能要求，电磁线圈5的组数和匝数以及宽度根据实际的应用需求和磁流变阻尼器自身的属性进行确定，至少为一组，其最大组数取决于内外缸体长度。

如果设置多组电磁线圈和永磁体，相邻的两个电磁线圈的绕线方向以及永磁体产生磁场的方向应该设置为相反才能形成多个闭合的磁通回路，并且电磁线圈、永磁体以及剪切圆盘、剪切圆环的厚度一般设置在5-15mm，这样才能最大程度应用磁场和剪切圆盘、剪切圆环；磁流变液8的属性将会被电磁线圈上的输入电流控制，本实施例中纯剪切式磁流变阻尼器的可控阻尼力性能主要决定于电磁场控制的磁流变液属性。

如图1B所示，本实施例是利用滚珠丝杠副结构将活塞杆的直线运动转化为旋转运动，有效降低磁流变阻尼器的零场粘滞阻尼力并提高了磁流变阻尼器的可控阻尼比范围，使得磁流变阻尼器的应用范围进一步扩大，使其在应用于高速冲击控制系统成为可能；由于磁流变液8密封于内缸体2腔体内并充满剪切圆盘4和剪切圆环3之间的间隙，有效提高电磁能量的使用效率，不必再考虑由于结构的问题导致电磁能量的散漏，提高了磁流变阻尼器的电磁效率和磁流变液的利用率，进一步降低了磁流变阻尼器的成本。滚珠丝杠副可以由其他直线运动-旋转运动的转换机构替代，并不局限。

图2所示是在磁通回路6中添加环形轴向磁场永磁体20，将失效-安全性能集成到纯剪切式磁流变阻尼器中。由于磁流变阻尼器在零场时，即没有电流作用时，其被动阻尼力非常小，对于磁流变半主动振动/冲击控制系统而言，若控制系统失效或者电源断电，半主动振动或冲击控制系统将失去其预先设定的控制效果，情况严重的甚至会造成对使用磁流变半主动控制系统进行振动/冲击控制的整个系统的结构损坏和人员伤亡。因此，在磁流变阻尼器上集成失效-安全性能是设计磁流变阻尼器和磁流变半主动振动/冲击控制系统的必须考虑内容。环形永磁体20不局限于设置在上剪切圆环3A、下剪切圆环3B之间的电磁线圈5的内侧，还可以设置于电磁线圈5的外侧或者替代电磁线圈5，或者其它实现磁流变阻尼器失效-安全性能的位置。失效-安全性能的集成，将实现磁流变阻尼器双向可控力，如图3所示，有效扩大磁流变阻尼器的应用场合。

图3所示，为便于比较，将两种磁流变阻尼器的初始零场阻尼力F_off1和F_off2、最大场控力F_on1和F_on2设置一致。由于传统磁流变阻尼器的阻尼力受激励速度影响较大，即速度二次方效应，所以随着激励速度的增加，阻尼力F_off2增加迅速，相比而言纯剪切式磁流变阻尼器的零场阻尼力F_off1速度效应不)明显，随激励速度的增加阻尼力F_on1增加缓慢。可控阻尼比的定义为：(F_on/F_off)。

随着速度的增加纯剪切式磁流变阻尼器的可控阻尼比较之于传统的磁流变阻尼器更大，也就是说，纯剪切式磁流变阻尼器的可控性能比传统磁流变阻尼器更好，对于高速振动/冲击控制具有更好的半主动执行器件性能。

图3所示为图2所示结构的失效-安全阻尼力F_fail-safe特性，其为基于纯剪切式磁流变阻尼器的半主动控制系统提供一种失效-安全保障。当电源断开或者不向电磁线圈5输入控制电流时，提供失效-安全阻尼力F_fail-safe；当向电磁线圈5输入正向电流时，在失效-安全阻尼力F_fail-safe的基础上逐渐增加，直到最大阻尼力F_on1；当向电磁线圈5输入反向电流时，在失效-安全阻尼力F_fail-safe的基础上逐渐减小，直到最小阻尼力F_on1，即零场粘滞阻尼力，最终实现了以失效-安全阻尼力F_fail-safe为基准线的双向阻尼力可控的纯剪切式磁流变阻尼器。

本发明纯剪切式磁流变阻尼器的结构具有以下特别的优势：

1.可控阻尼力性能得到最优处理。活塞杆与可控阻尼力产生的关键结构是解耦的，因此其可控阻尼力性能，包括可控阻尼比和可控阻尼力范围，可以通过增加剪切圆环组数、电磁线圈的匝数或者节数来实现阻尼力的最大化和最优化设置。

2.内缸体和外缸体的双缸体，摒弃了活塞-线圈模式，从而使得磁流变阻尼器能够最大限度的利用缸体的长度，即最大化了磁流变阻尼器的活塞运动冲程。

3.失效-安全性能的功能集成技术实现。具体地说，在电磁线圈内或外设置永磁体，使得磁流变阻尼器具有以失效-安全状态为基线的双向可控阻尼力学可控性能，在半主动控制系统失效或者控制系统电源故障时，可以为系统提供可靠的力学需求，不会导致系统崩溃情况。在失效-安全状态时，从结构设计角度弥补了磁流变液的沉淀缺陷。通过永磁体的设置，使得磁流变液中主要作用成分附着于永磁体产生的闭合的磁通回路上，磁流变液不再由于受到重力的影响导致大范围沉淀以致失效。

4.本发明将磁流变液密封于内缸体内，所使用的磁流变液材料更少，磁流变液的使用效率更高，使得磁流变阻尼器及其系统生产制造材料成本更低。此外，本发明形成的纯剪切式磁流变阻尼器的结构相对于传统的线性磁流变阻尼器或者旁路阀式磁流变阻尼器，结构更加简单、可靠，适用于批量生产。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种纯剪切式磁流变阻尼器，其特征在于：所述阻尼器包括外缸体(1)、内缸体(2)以及固定有剪切圆盘(4)的滚珠丝杠螺母(9)；所述外缸体(1)与内缸体(2)为同轴设置；

设置滚珠丝杠副，作为活塞杆的丝杠轴(10)，一端在所述外缸体(1)的上端盖圆心位置处固定设置，所述丝杠轴(10)可以压缩进入或复原退出内缸体(2)中，在所述内缸体(2)的内侧壁上固定设置有与所述剪切圆盘(4)一一对应的电磁线圈(5)和剪切圆环(3)；在所述内缸体(2)中，由内缸体(2)的内侧壁与滚珠丝杠螺母(9)共同构成封闭腔，所述封闭腔中充满有磁流变液(8)，与所述丝杠轴(10)螺纹配合的滚珠丝杠螺母(9)其在两端的延长段与内缸体(2)的端盖之间设置轴封以实现磁流变液(8)在所述封闭腔中的密封，所述滚珠丝杠螺母(9)在两端的延长段是利用滚动轴承在内缸体(2)端盖上进行支撑；在相邻的两只剪切圆环(3)之间设置至少一个电磁线圈(5)，由所述相邻的两只剪切圆环(3)、位于相邻的两只剪切圆环(3)之间的剪切圆盘(4)，以及对应位置上内缸体(2)的侧壁共同形成电磁线圈(5)的闭合磁通回路(6)。

2.根据权利要求1所述的纯剪切式磁流变阻尼器，其特征是：所述电磁线圈(5)可以由环形轴向磁场永磁体(20)代替，或者将电磁线圈(5)设置于环形轴向磁场永磁体(20)内环表面或者外环表面。

3.根据权利要求1或2所述的纯剪切式磁流变阻尼器，其特征是：所述电磁线圈(5)或环形轴向磁场永磁体(20)至少为一组，其与所述剪切圆盘(4)、剪切圆环(3)以及内缸体侧壁形成至少一组闭环磁通回路(6)，其最大组数取决于内外缸体长度。

4.根据权利要求1或2所述的纯剪切式磁流变阻尼器，其特征是：所述剪切圆盘(4)、剪切圆环(3)以及内缸体(2)是以高导磁性材料为材质。

5.根据权利要求1或2所述的纯剪切式磁流变阻尼器，其特征是：所述电磁线圈(5)的引线通过设置于内缸体(2)上的过孔引出，并由环氧树脂材料或采用橡胶挤压的方式进行密封和保护。

6.根据权利要求1或2所述的纯剪切式磁流变阻尼器，其特征在：所述丝杠轴(10)的一端通过上下螺母锁定的方式连接固定于外缸体(1)的上端盖圆心位置，所述外缸体(1)在另一端利用滑动卡环(11)与内缸体(2)接触，并能沿所述内缸体(2)的外侧壁滑动，以所述外缸体(1)作为丝杠轴(10)的运动导向。

7.根据权利要求1或2所述的纯剪切式磁流变阻尼器，其特征在：间隔设置的各剪切圆盘(4)与间隔设置的各剪切圆环(3)在沿内缸体(2)的轴向位置上一一交错，并且所述剪切圆盘(4)与电磁电圈(5)在轴向位置上一一对应。